Communicating State Machines

自动机通信：

一个自动机的输出是另一个自动机的输入
一个自动机观察另一个自动机的输出

自动机分解：将一个大自动机分解成多个小自动机

例——闪光灯¶

输入：start 输出：light 功能：

当start拉高1CC, 闪光灯开闪
每次闪3次
每次闪时拉高6CC, 拉低4CC
闪完后，关灯，等待下次闪

分解1：

主FSM：控制闪烁
计时FSM：负责等待
- timerLoad拉高，计时器载入被递减的初始值
- timerSelect选择load = 5 / 3
- timerDone当计数结束时被拉高
- 其余时间计数器自己往下走

实现：

class LightFlasher extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    val start = Input(Bool())
    val light = Output(Bool())
  })

  io.light := false.B

  val timerLoad = WireDefault(false.B)
  val timerSelect = WireDefault(true.B)
  val timerDone = Wire(Bool())

  val timerReg = RegInit(0.U)
  timerDone := timerReg === 0.U
  when(!timerDone) {
    timerReg := timerReg - 1.U
  }
  when(timerLoad) {
    when(timerSelect) {
      timerReg := 5.U
    }.otherwise {
      timerReg := 3.U
    }
  }

  timerLoad := timerDone

  object State extends ChiselEnum {
    val off, flash1, space1, flash2, space2, flash3 = Value
  }
  import State._

  val stateReg = RegInit(off)

  switch(stateReg) {
    is(off) {
      timerLoad := true.B
      when(io.start) {
        stateReg := flash1
      }
    }
    is(flash1) {
      timerSelect := false.B
      io.light := true.B
      when(timerDone) {
        stateReg := space1
      }
    }
    is(space1) {
      when(timerDone) {
        stateReg := flash2
      }
    }
    is(flash2) {
      timerSelect := false.B
      io.light := true.B
      when(timerDone) {
        stateReg := space2
      }
    }
    is(space2) {
      when(timerDone) {
        stateReg := flash3
      }
    }
    is(flash3) {
      timerSelect := false.B
      io.light := true.B
      when(timerDone) { stateReg := off }
    }
  }
}

默认状态：当自动机未达到改变该值的状态时，Wire值不会锁存，而是会变为默认状态
- 可以将"multi-driven wire"的信号理解为不同条件下的不同取值
- 当多次设置默认状态时，后设置的覆盖之前设置的
- Reg值会锁存
timerLoad := timerDone 覆盖 val timerLoad = WireDefault(false.B) 成为 timerLoad 的默认值，即主自动机不对timerLoad进行设置(条件触发)时，timerLoad将由timerDone决定
主自动机解读：
- 初始时，位于off态，按住timerLoad
  - 若不按住timerLoad，则会被timerDone影响而自动向下走
  - start拉高后，转移到flash1态
- 进入flash1态后，timer开始从5到0倒计时，倒计时期间始终处于flash1态(stateReg锁存)，按住light, timerSelect
  - 若不按住light，则会被默认值关闭
  - 按住timerSelect，为下一次倒计时选择3..0
    - 事实上，不按住timerSelect，而是在转移时拉低行为上也正确，但会导致拉低的条件更复杂
    - 只需保证在timerLoad为高即timerDone为高时，timerSelect为低即可为timerReg选择正确的输入值3

问题：存在冗余性，flash1, flash2, flash3功能相同，space1, space2功能相同

分解2：引入计数器，主自动机简化为3个态实现：

class LightFlasher extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    val start = Input(Bool())
    val light = Output(Bool())
  })

  io.light := false.B

  val timerLoad = WireDefault(false.B)
  val timerSelect = WireDefault(true.B)
  val timerDone = Wire(Bool())

  val timerReg = RegInit(0.U)
  timerDone := timerReg === 0.U
  when(!timerDone) {
    timerReg := timerReg - 1.U
  }
  when(timerLoad) {
    when(timerSelect) {
      timerReg := 5.U
    }.otherwise {
      timerReg := 3.U
    }
  }

  timerLoad := timerDone

  val cntLoad = WireDefault(false.B)
  val cntDecr = WireDefault(false.B)
  val cntDone = Wire(Bool())

  val cntReg = RegInit(0.U)
  cntDone := cntReg === 0.U
  when(cntLoad) { cntReg := 2.U }
  when(cntDecr) { cntReg := cntReg - 1.U }

  object State extends ChiselEnum {
    val off, flash, space = Value
  }
  import State._

  val stateReg = RegInit(off)

  switch(stateReg) {
    is(off) {
      timerLoad := true.B
      timerSelect := true.B
      cntLoad := true.B
      when(io.start) { stateReg := flash }
    }
    is(flash) {
      timerSelect := false.B
      io.light := true.B
      when(timerDone & !cntDone) { stateReg := space }
      when(timerDone & cntDone) { stateReg := off }
    }
    is(space) {
      cntDecr := timerDone
      when(timerDone) { stateReg := flash }
    }
  }
}

在每次space要发生转移时，cntDecr被拉高，即第一次space -> flash后，cntReg = 1; 第二次space -> flash后，cntReg = 0，之后flash无法进入space

带Datapath的自动机¶

Datapath：用于对自动机间通信的信号做运算，而不是仅仅只通信控制信号